151 2100 2431- 科研動態
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醫學昌明的今天，各種新型醫用材料層出不窮，代表著科技前沿，閃耀著人類智慧。水凝膠就是其中的佼佼者。作為生物醫藥領域的當紅小生，它以出眾的實力和廣闊的前景，成功吸引了各界的關注，贏得了熱度與流量。今天就跟大家聊聊有關水凝膠的那些事。
水凝膠的組成包括DNA、多肽、多糖等天然材料以及聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇等合成材料。科學地說，水凝膠是一類由分散在水介質中的聚合物鏈通過多種機制（包括物理糾纏、離子作用和化學交聯等）形成的三維交聯網絡結構材料。
它能夠在水中迅速溶脹并在此狀態下保持大量體積的水而不溶解。換言之，它擁有在生理條件下類似于活體軟組織的保水或生物液體的能力。
在過去近60年的相關研究中，水凝膠類期刊的發行量呈現爆炸式增長，從1982年僅1,000多篇到2020年數量高達100,000以上[1]。從實際應用層面來看，目前已有大量的水凝膠產品獲得了美國食品藥品監督管理局（FDA）等監管機構的批準。
流量背后，水凝膠緣何備受推崇？
圖1：超分子水凝膠的設計及其在生物醫用領域的應用[2]
實際上，醫學界已經看到了水凝膠的巨大生物應用潛力。目前，水凝膠在生物醫藥領域的應用主要包括傷口愈合、軟組織填充、組織粘合劑和密封劑以及軟性隱形眼鏡等（如圖1）。隨著生物醫藥領域的不斷發展,也已經涌現出諸多新型水凝膠治療策略，如細胞/免疫療法和再生療法，以及向個性化醫學的轉變。這意味著在不久的將來，對先進水凝膠生物材料的臨床需求會不斷增加。
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水凝膠的理化性能在一定程度上取決于分子層面的設計，目前根據其成型方式大體可分為物理凝膠（如圖2A-D）和化學凝膠（如圖2E）兩種。
圖2常規高分子凝膠網絡結構[3]
物理凝膠——
物理凝膠主要通過氫鍵、范德華力、靜電作用、疏水作用等“弱相互作用”形成，常依賴于聚合物的固有性質，不需要修改聚合物鏈，凝膠化較為容易實現。
凝膠分子先自組裝成一維結構，隨后聚集體間相互糾纏共同構建出三維網絡結構，多種作用共同維持非共價鍵體系的平衡，而且在必要時部分凝膠很容易實現動態可逆轉化。
基于天然蛋白質的自組裝機制，仿生超分子已被設計出可以遵循類似的多級次自組裝策略，這對深入理解和準確模擬生物功能和生物過程都具有重要的意義，同時也為構建先進功能材料提供了可靠的途徑。
化學凝膠——
相較于物理凝膠法，化學交聯法則允許以空間和動態角度對交聯過程進行更可控、更精確的管理。
在溶液中，聚合物分子主鏈或側鏈上的活性基團在適當條件下可以形成共價鍵，因此化學凝膠的結構與性能更加穩定、可控（如圖2E）。
目前傳統交聯方式有縮合反應、自由基聚合、高能輻射和酶促反應等。其中光的廣泛應用對現代醫學產生了深遠的影響，特別是基于光的光熱療法（PTT）和光動力療法（PDT）在預防傷口感染和促進傷口愈合方面顯示出巨大的應用前景。此外，希夫堿反應、邁克爾加成反應、點擊化學等也廣泛應用于水凝膠的制備。
盡管每種凝膠方法都有其優點和局限性，但該領域一直朝著多組分/機制方向發展以實現水凝膠的功能化（如圖3B），滿足其在生物醫藥領域的應用，例如顯著增強凝膠的力學性能、可注射性等。
圖3非常規高分子網絡結構（A）及
高分子鏈間作用機制（B）[4]
水凝膠力學性能的提高主要依賴于非常規高分子網絡的設計，通過其獨特的網絡結構和高分子鏈間的相互作用實現水凝膠復合性能的正交設計和協同實現。常見的非常規高分子網絡結構主要分為七大類：理想高分子網絡、互穿高分子網絡、半互穿高分子網絡、含有滑移交聯點的高分子網絡、具有多官能交聯劑的高分子網絡、納米/微米纖維高分子網絡以及瓶刷狀高分子網絡（如圖3A）。此外，還可通過添加納米粒子、纖維等方式實現水凝膠的增強增韌。
可注射水凝膠是指具有一定流動性的、能夠通過注射方法應用的一類水凝膠。可注射水凝膠對于外界刺激（溫度，pH等）呈現出溶膠與凝膠間的相互轉變。而且，與傳統的水凝膠相比，可注射水凝膠具有微創應用的優勢。這不僅擴大了其在生物醫用領域的應用范圍，而且提高了患者的舒適滿意度，在一定程度上還降低了應用成本。
水凝膠在生物醫藥領域呈現出極大的包容性和適應性，其應用場景也十分廣泛。下期我們將聚焦水凝膠在醫用敷料和組織工程這兩大場景中的具體應用，繼續為大家展開分享。歡迎關注創化科技服務！
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參考文獻：
[1] 數據來自PubMed
[2]Zhao Y, Song S, Ren X, et al. Supramolecular Adhesive Hydrogels for Tissue Engineering Applications [J]. Chemical Reviews, 2022, 122: 5604-5640.
[3] Zhang Y S, Khademhosseini A. Advances in engineering hydrogels [J]. Science, 2017, 356(6337): eaaf3627.
[4] Zhao X, Chen X, Yuk H, et al. Soft Materials by Design: Unconventional Polymer Networks Give Extreme Properties [J]. Chemical Reviews, 2021, 121(8): 4309-4372.
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